滨海盐渍土土-水特征曲线试验研究

张建辉，丁子凯，陈宝泽，刘 靖，杨红雨

(河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002)

1 研究背景

滨海盐渍土属于非饱和盐渍土的一种，是土体长期受海水浸渍、含盐地下水等作用而含有可溶性盐分而形成的， 具有盐胀、 腐蚀等病害特性[1]。

吸力为非饱和土特有性质，土-水特征曲线(SWCC)能够反映出土中吸力随含水率的变化关系，是研究非饱和土特性的重要关系曲线[2]。Thyagaraj等[3]通过调整氯化钠溶液的浓度来测量不同含盐量压实膨胀土的土-水特征曲线，得到了含盐量对总吸力、渗透吸力和基质吸力均有影响的结论。张爱军等[4]采用滤纸法测得不同含盐量伊犁黄土的总吸力和基质吸力，通过绘制、分析其土-水特征曲线，指出含盐量对总吸力和渗透吸力影响较大，且总吸力与溶液浓度之间呈线性关系。孙德安等[5]通过滤纸法和压力板法测定了不同含盐量粉砂盐渍土的土-水特征曲线，结果也表明渗透吸力随着含盐量的增加而增加。

由上述研究可见，含盐量是影响盐渍土性质的重要因素，且含盐量通常随着含水率的变化而变化；对于非饱和土而言，含水率是影响吸力的主要因素。目前，关于盐渍土尤其是滨海盐渍土，大多数是对其力学性能和固化特性方面的研究，而对土-水特性研究相对较少[6-8]。同时随着滨海地区工程建设的迅速发展，进一步研究滨海盐渍土的工程特性、土-水特性等显得尤为重要。

本文针对黄骅地区滨海盐渍土，通过滤纸法测试其总吸力、基质吸力和渗透吸力，研究含盐量对其土-水特征曲线的影响；并拟合建立基质吸力与体积含水率，渗透吸力与含盐量、体积含水率之间的数学关系，以期为滨海盐渍土工程特性的研究提供参考。

2 滨海盐渍土试验方案

2.1 试验原理

吸力属于非饱和土固有特性，土中吸力分为基质吸力和渗透吸力，两者构成土中总吸力。土中总吸力反映土中水的自由能，基质吸力主要受土中孔隙气压与孔隙水压差作用下的毛细吸力影响，而渗透吸力与土中孔隙水溶液中溶质有关[5]。

滤纸法是测量土中吸力的方法之一，由于放置方法的不同分为接触法和非接触法，接触法能够测得土中的基质吸力，非接触法能够测得土中的总吸力[9]。滤纸法具有精度高、测试范围大、价格便宜和操作简单等优点[10]，故本文选用滤纸法来测得盐渍土的土中吸力。

本试验采用“双圈”牌No.203型慢速滤纸，率定公式如式(1)、式(2)所示。式(1)为王钊等[11]提出的计算基质吸力使用的率定公式；式(2)为白福青等[12]提出的计算总吸力使用的率定公式，即

式中：ψ为基质吸力(kPa)；wfp为接触滤纸质量含水率(%)。

式中：ζ为总吸力(kPa)；w′fp为非接触滤纸质量含水率(%)。

2.2 试验材料

滨海盐渍土主要以氯盐渍土为主，土体内氯离子含量最多。氯盐渍土根据土体内氯盐含盐量的不同可划分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和超强盐渍土，其中超强盐渍土是指含盐量>8%的盐渍土。

为了保证试验不受到其他离子的干扰，并且全面考虑滨海氯盐渍土类别，同时考虑到试验土样与原状土颗粒组成不能有太大差别，故试样土样取自渤海湾西岸的黄骅港。先对原状土进行洗盐处理，然后通过室内配置盐渍土的方法得到试验土样，此方法得到的土样内无结晶状盐存在，盐含量分布均匀，可避免其他盐分对试验结果造成影响。目前对盐渍土的试验研究多采用人工配置盐渍土的方法[13-15]。

首先去除土样中的杂质，测得土样的天然密度ρ0=1.161 g/cm3，天然重度γ0=15.78 kN，初始含水率w0=15.23%。然后对试验土样进行洗盐[16]，待洗盐后的土样烘干、碾碎、过2 mm筛后再加入纯度不低于99.5%的氯化钠粉末，配置含盐量分别为0%、2%、5%、8%、10%、14%的盐渍土，并通过压实性试验等，测得试验土样的基本物理性质参数，如表1所示。

表1 试样基本物理性质参数Table 1 Basic physical parameters of samples

根据表1的数据， 绘出试样的最大干密度、 最优含水率与含盐量的关系曲线， 见图1。 由图1可以看出， 随着含盐量的不断增加， 试样的最大干密度和最优含水率随之变化。 其中最大干密度在含盐量为8%时达到最大值， 最优含水率则随着含盐量的增加不断降低。 这一结果与文献[16]、 文献[17]的研究结论相一致， 即本盐渍土配置试样的击实特性和液塑限指标符合盐渍土物理性质的变化特征， 说明本试验人工配置盐渍土的方法是可行的。

图1 盐渍土击实曲线Fig.1 Compaction curves of saline soil

2.3 试验过程

配置的试验土样含盐量分别为0%、2%、5%、8%、10%、14%，每种含盐量下，土样的质量含水率为6%、8%、10%、13%、16%、19%、23%、27%。

本文主要探究含水率和含盐量对盐渍土土-水特征曲线的影响，考虑到工程上要求土体的压实度在90%左右，压实度过高会影响试样的保水能力，故本试验选择洗盐后素土最大干密度的90%作为控制干密度，试样干密度为1.55 g/cm3。试验过程如下：

(1)将配置好的不同含盐量和不同含水率的土样装入环刀中，并用击实器分层击实，击实后对试样称重，确保干密度控制在1.55 g/cm3；将滤纸进行烘干处理之后，按照图2所示将环刀和滤纸放入测试装置中。

图2 试验装置Fig.2 Experimental apparatus

(2)将测试装置放入标准恒温恒湿箱中养护，养护温度为23 ℃，养护时间为15 d，使土样与滤纸水分达到平衡。

(3)准备冷铝盒作为称量盒，平衡结束后，打开装置使用镊子迅速将滤纸取出，放入称量盒称量，并取下方环刀中心土样进行称量。

(4)将称量好的滤纸和湿试样放入温度设定为105 ℃的烘干箱内，烘干24 h，然后测定试样和滤纸的含水率。

(5)将所测含水率代入式(1)和式(2)，可得到试验土样的总吸力和基质吸力。

本文使用体积含水率θ来表达试样含水率的变化，试样体积含水率计算公式为[4]

θ=ρdw。

(3)

式中：θ为体积含水率(%)；ρd为试样干密度(g/cm3)；w为试样质量含水率(%)。

3 试验结果分析

3.1 盐渍土土-水特征曲线分析

将试验测得的非接触滤纸和接触滤纸含水率分别代入式(1)和式(2)，计算出试验土样的基质吸力和总吸力，渗透吸力为总吸力值减去基质吸力值。通过式(3)得到试样体积含水率。

为了直观地反映各吸力随试样体积含水率变化规律，绘制不同含盐量下总吸力、基质吸力和渗透吸力随试样体积含水率的变化曲线，如图3所示。

图3 总吸力、基质吸力和渗透吸力与体积含水率的关系Fig.3 Relations of volumetric water content againsttotal suction, matric suction and osmotic suction withvaried salt content

从图3可知，试样的总吸力、基质吸力和渗透吸力均随着含盐量的增大而增加，随体积含水率的减小而增加；当体积含水率相同时，含盐量大的试样吸力越大，表明含盐量对滨海盐渍土的持水特性有重要影响。

由图3(a)可以看出：试样中含盐土的总吸力要远大于素土(含盐量0%)的总吸力，素土的最大总吸力为5.4×103kPa；当含盐量在0%～5%之间时，总吸力的增加较快，最大增加值为9.4×103kPa，说明此阶段总吸力对含盐量的变化比较敏感；当含盐量在5%～14%之间时，总吸力增加明显减小，最大增加值为1.9×103kPa；各试样总吸力随着试样中含水率的减小逐渐增大，且在体积含水率为12%左右时，曲线发生转折，总吸力随着含水率减小的增加趋势由快变慢。

由图3(b)可知：除素土(含盐量0%)外，其余5组不同含盐量土样的基质吸力曲线十分接近，即试样的基质吸力随含盐量的增加变化较小；各土样基质吸力随体积含水率的减小而增加，且基质吸力的增加趋势在含水率>15%时较慢、在<15%时较快。可以看出，对滨海盐渍土，含水率的变化仍然是基质吸力变化的主要影响因素。

渗透吸力由相同含水率下总吸力减去基质吸力而得。由图3(c)可知：渗透吸力随含盐量的变化趋势与总吸力相似，即渗透吸力随含盐量增加而增加，且含盐量≤5%时增加较快、含盐量≥5%时增加较慢；随着体积含水率的减小，渗透吸力逐渐增大，在含水率为12%时达到最大值，之后随着含水率降低，渗透吸力有所减小。这是因为随着含水率的降低，孔隙水溶液中的盐分浓度不断增加，使得孔隙水渗透压升高，当含水率降至12%时，土中孔隙水溶液达到盐分饱和，含水率再降低导致盐分析出，而NaCl晶体会以固体的形式存在于土样中，可能改变土样的孔隙率、阻塞细小孔隙，基质吸力增加趋势变大，导致渗透吸力略有减小，这与孙德安等[5]得到的试验结论一致。

3.2 含盐量对吸力的影响分析

图4为不同体积含水率下，含盐量与总吸力和基质吸力关系曲线。

图4 总吸力、基质吸力与含盐量关系Fig.4 Relations of salt content against totalsuction and matric suction

由图4(a)可知：当含水率为8.8%时，总吸力值最大，体积含水率为41.8%时总吸力值最小；在相同含盐量下总吸力随着含水率的减小而增大；当含盐量<5%时可以看出曲线的斜率最大，总吸力的增长速度比较快，说明此阶段总吸力对含盐量的变化比较敏感;在含盐量>5%的阶段，增长速度放缓，且含盐量为5%是一个转折点，在含盐量超过5%后，总吸力的增长速度降低。

由图4(b)可知:含盐量的变化对试样基质吸力的影响较小;从整体来看，基质吸力的变化在含盐量为5%之前较为明显，在5%之后变化幅度变小且趋于平缓;最下方的5条曲线的波动更小，特别是含水率24.3%～41.8%的曲线，这4条曲线在不同含盐量下基质吸力的差值非常小，说明了基质吸力受含盐量的影响较小，而总吸力受含盐量影响的主要因素是渗透吸力的变化。

3.3 土-水特征曲线拟合

根据图4(b)中基质吸力土-水特征曲线的变化趋势，选用Exponential函数模型[18]，对不同含盐量下基质吸力与体积含水率的测试数据进行拟合分析，得到基质吸力与体积含水率的量化关系式,即

ψ=ae-bθ+ce-dθ。

(4)

式中a、b、c、d为拟合参数。拟合结果见表2，可以看出拟合优度较好，由此得出滨海盐渍土基质吸力与体积含水率呈指数关系。

表2 拟合方程结果Table 2 Fitting equation results

4 盐渍土渗透吸力与含盐量、体积含水率的关系

由上述分析可知，对滨海盐渍土，基质吸力受含盐量的影响较小，而含盐量是影响渗透吸力变化的主要因素。为建立滨海盐渍土渗透吸力随含盐量变化的量化关系式，将测试结果重新整理，绘制不同体积含水率下渗透吸力随含盐量的变化曲线，见图5。

图5 渗透吸力与含盐量关系Fig.5 Relation of osmotic suction against salinity

由图5可知：当体积含水率相同时，随着含盐量的增加，孔隙水溶液的浓度提高，渗透吸力不断增加；当含盐量相同时，随着含水率的降低会同样导致孔隙水溶液浓度提高，渗透吸力也随之增加；含盐量<5%时，渗透吸力随含盐量的增速较大，含盐量>5%之后，渗透吸力增速放慢。

采用MatLab中的cftool拟合工具箱建立量化关系“渗透吸力=F(含盐量、体积含水率)”[19]。以z轴为渗透吸力、x轴为含盐量、y轴为体积含水率，将测试数据绘出三维曲面，见图6，根据图像曲面趋势选择Polynomial算法进行拟合分析。

图6 渗透吸力与体积含水率、含盐量的关系Fig.6 Relations of osmotic suction against volumetricwater content and salt content

经试算分析，将z设为x、y的三次多项式函数进行拟合，拟合函数的确定系数R2及AdjustedR2都为0.97，拟合优度较好，拟合的三维曲面见图7。由此得到“渗透吸力=F(含盐量、体积含水率)”的量化关系表达式为

图7 模型Poly33拟合趋势面Fig.7 Fitting trend surface of model Poly33

z=-4.04+5.95x+1.71y-0.43x2-0.12xy-

0.06y2+0.01x3+0.005x2y+

0.000 4xy2+0.001y3。

(5)

5 结 论

通过测试与分析黄骅港滨海盐渍土的总吸力、基质吸力、渗透吸力土-水特征曲线，并由拟合工具，建立基质吸力、渗透吸力与体积含水率和含盐量的数学模型，得到以下结论：

(1)随着含盐量的升高，总吸力、基质吸力、渗透吸力均会增加，总吸力与渗透吸力的增幅明显，而基质吸力随着含盐量的改变较小。含盐量5%是一个转折点，总吸力与渗透吸力在含盐量<5%时增速明显，含盐量>5%之后，总吸力与渗透吸力的增加速度放缓，并趋于稳定。

(2)随着体积含水率的降低，各吸力值均会增大，但体积含水率是基质吸力的主要影响因素，且随体积含水率的减小，基质吸力增加明显。

(3)滨海盐渍土基质吸力与体积含水率呈指数关系，经过拟合分析得到基质吸力与体积含水率之间的指数关系式。

(4)对盐渍土渗透吸力与含盐量、体积含水率之间的关系进行拟合，得到“渗透吸力=F(含盐量、体积含水率)”的量化关系式，以供工程应用参考。